計算機組成原理---指令系統
指令（機器指令）是指示計算機執行某種操作的命令，是計算機執行的最小功能單位。一臺計算機的所有指令的集合構成該機的指令系統，也稱指令集。指令系統是計算機的主要屬性，位於硬體和軟體的互動面上。
一條指令就是機器語言的一個語句，它是一組有意義的二進位制程式碼。一條指令通常包括操作碼欄位和地址碼欄位兩部分。其中，操作碼指出指令中該指令應該執行什麼性質操作和具體何種功能；地址碼用於給出被操作的資訊地址。
指令的長度是指一條指令中所包含的二進位制程式碼的位數。指令的字長取決於操作碼的長度，運算元地址碼的長度和運算元地址的個數。
在一個指令系統中，若所有指令的長度都是相等的，稱為定長指令字結構；若指令的長度隨功能而異，稱為變長指令字結構；因為主存一般按位元組編址，所以指令長多為位元組的整數倍。
根據指令中的運算元地址碼的數目不同，可將指令分為：零地址指令，一地址指令，二地址指令，三地址指令，四地址指令。
定長操作碼指令格式：定長操作碼指令是在指令的最高位部分分配固定的若干位（定長）表示操作碼。定長操作碼對於簡化計算機硬體設計，提高指令譯碼和識別速度很有利。
擴充套件操作碼指令格式：為了在指令字長有限的前提下仍保持比較豐富的指令種類，可採取可變長度操作碼，即全部指令的操作碼欄位位數不固定，且分散在指令的不同位置上。顯然，這將增加指令譯碼和分析的難度，使控制器設計複雜化。在設計擴充套件碼需要注意：
- 不允許短碼是長碼的字首；
- 各指令的操作碼一定不能重複。
定址方式是指尋找指令或運算元有效地址的方式，也就是確定本條指令的資料地址，以及下一條將要執行的指令地址的方法。定址方式分為指令定址和資料定址兩大類。指令中的地址碼欄位並不代表運算元真實地址，稱形式地址（A）。
指令定址有兩種：順序定址：通過程式計數器PC加1，自動形成下一條指令的地址；跳躍定址：下一條指令的地址碼不是由程式計數器給出，而是由本條指令給出下條指令地址的計算方式，跳躍的結果是當前指令修改PC值，所以下一條指令仍然是通過程式計數器PC給出。
資料定址：操作碼+定址特徵+形式地址
- 隱含定址：不是明顯給出運算元地址，而是在指令中隱含著運算元地址；
- 立即定址：指令的地址欄位指出的不是運算元地址，而是運算元本身，
- 直接定址：指令中形式地址就是運算元的真實地址；
- 間接定址：指令的地址欄位給出的是運算元地址的地址；
- 暫存器定址：指令字中直接給出運算元所在的暫存器的編號；
- 暫存器間接定址：暫存器給出運算元所在主存單元地址；
- 相對定址：把程式計數器PC內容加上形式地址而形成運算元有效地址；
- 基址定址：將CPU中的基址暫存器（BR）的內容加上指令格式中的形式地址得到有效地址，基址暫存器是面向作業系統的，其內容由作業系統或管理程式確定；
- 變址定址：有效地址等於指令中形式地址與變址暫存器（IX）的內容之和，變址暫存器是面向使用者的，在程式執行過程中，變址暫存器的內容可由使用者改變（作為偏移量），形式地址不變（作為基地址）；
- 堆疊定址：堆疊是儲存器或專用暫存器組中一塊特定的按“後進先出”原則管理的儲存區，該儲存區中被讀/寫單元的地址使用一個特定的暫存器給出，該暫存器稱為堆疊指標（SP），暫存器堆疊又稱為硬堆疊，主存區域堆疊又稱為軟堆疊。
指令系統的發展朝向兩種截然不同的方向發展，一是增強原有指令功能，設定更為複雜的新指令實現軟體功能的硬化，這類機器稱為複雜指令計算機（CISC）；另一種是減少指令種類和簡化指令功能，提高指令執行速度，這類機器稱為精簡指令計算機（RISC）。
CISC的主要特點有：指令系統複雜龐大，指令數目一般為200條以上；指令長度不固定，指令格式多，定址方式多；可以訪存的指令不受限制；各種指令使用頻度相差很大；各種指令執行時間相差很大，大多數指令需要多個時鐘週期才能完成；控制器大多數採用微程式控制，難以用優化編譯生成高效的目的碼程式。
RISC的中心思想是要求指令系統簡化，儘量使用暫存器－暫存器操作指令，指令格式力求一致，主要特點有：選取使用頻率最高的一些簡單指令，複雜指令的功能由簡單指令的組合來實現；指令長度固定，指令格式種類少，定址方式種類少；只有Load／Store指令訪存，其餘指令的操作都是在暫存器之間進行；CPU中通用暫存器數量相當多；RISC一定採用指令流水線技術，大部分指令在一個時鐘週期內完成；絕大多數為組合邏輯控制，不用或少用微程式控制；特別重視編譯優化工作，以減少程式執行時間。